車站信號計算機聯鎖控制系統

------原理及應用

徐洪澤編著

（第1版）

中國鐵道出版社

目錄

第一篇原理篇

第1章綜述..................................................錯誤！未定義書簽。

1.1鐵路信號系統...........................................錯誤！未定義書簽。

1.2車站信號控制系統發展概述..............................錯誤！未定義書簽。

第2章計算機聯鎖控制系統技術基礎...............................錯誤！未定義書簽。

2.1車站運營及聯鎖技術基礎.................................錯誤！未定義書簽。

2.2計算機控制技術基礎.....................................錯誤！未定義書簽。

2.3現場設備及其繼電接口電路..............................錯誤！未定義書簽。

第3章計算機聯鎖控制系統原理....................................................27

3.1車站聯鎖控制系統的層次結構..............................................27

3.2計算機聯鎖控制系統的分類及其硬件組成...................................28

3.3計算機聯鎖控制系統軟件功能分解..........................................31

3.4聯鎖數據與數據結構......................................................35

3.5基本聯鎖控制軟件功能模塊................................................46

3.6其他軟件功能模塊.........................................................53

第4章計算機聯鎖控制系統的可靠性技術保障.................錯誤！未定義書簽。

4.1故障分析...............................................錯誤！未定義書簽。

4.2可靠性基本概念.........................................錯誤！未定義書簽。

4.3聯鎖控制系統可靠性保障技術概述........................錯誤！未定義書簽。

4.4系統級可靠性保障技術...................................錯誤！未定義書簽。

4.5設備級可靠性保障技術...................................錯誤！未定義書簽。

4.6網絡通信可靠性保障技術.................................錯誤！未定義書簽。

第5章計算機聯鎖控制系統故障-安全保障技術................錯誤！未定義書簽。

5.1故障-安全概述...........................................錯誤！未定義書簽。

5.2車站聯鎖控制系統的故障一安全保障技術概述..............錯誤！未定義書簽。

5.3系統級故障-安全保障技術................................錯誤！未定義書簽。

5.4設備級故障一安全保障技術..............................錯誤！未定義書簽。

5.5I/O通道級故障-安全保障技術.............................錯誤！未定義書簽。

5.6信息傳輸的故障-安全保障技術............................錯誤！未定義書簽。

第6章TYJL系列計算機聯鎖控制系統解析..........................................91

6.1系統結構及功能解析.......................................................91

6.2軟件系統及其功能解析....................................................92

6.3硬件系統及其功能解析....................................................94

2

目錄

6.4系統技術特點.............................................................97

6.5TYJL-TR9型計算機聯鎖控制系統...........................................98

第7章DS6系列計算機聯鎖控制系統解析............................................101

7.1系統結構及功能解析......................................................101

7.2軟件系統及其功能解析....................................................102

7.3硬件系統及其功能解析....................................................102

7.4系統技術特點............................................................105

7.5DS6-K5B型計算機聯鎖控制系統解析......................................105

第8章JD系列計算機聯鎖控制系統解析.............................................109

8.1系統結構及功能解析......................................................109

8.2軟件系統及其功能解析....................................................110

8.3硬件系統及其功能解析....................................................112

8.4系統技術特點............................................................114

8.5EI32-JD型計算機聯鎖控制系統............................................115

第9章CIS-1型計算機聯鎖控制系統解析.............................................116

9.1系統結構及功能分析......................................................116

9.2軟件系統及其功能分析....................................................116

9.3硬件系統及其功能分析....................................................118

9.4系統技術特點............................................................120

9.5VPI型計算機聯鎖控制系統分析............................................122

第10章地方及廠礦鐵路計算機聯鎖控制系統解析.....................................130

10.1JT-DE型計算機聯鎖控制系統解析.........................................130

10.2HS2000VSI型計算機聯鎖控制系統解析...................................134

10.3其它基于可編程控制器的聯鎖控制系統解析...............................136

參考文獻..........................................................................140

3

第1章綜述

第1章綜述

1.1鐵路信號系統

鐵路運輸系統是一個由機車車輛、鐵道線路、橋梁隧道和站場等基礎設備組成的龐大系

統。在這個系統中必須設有指揮列車運行的鐵路信號系統來保證列車按照行車計劃安全高效

的運行。

防止列車沖突的傳統做法是將鐵路劃分成若干段，把在車站之間的各段線路稱作區間或

閉塞分區，在區間的兩端設置信號機對區間進行防護，把車站內的線路稱作進路，同樣在進

路的兩端設置信號機予以防護。在開放防護進路的信號前要檢查進路是否空閑，進路中的道

岔位置是否正確，以及該進路是否和其它進路發生沖突等。只有在確定進路空閑、道岔位置

正確并鎖閉、可能發生沖突的進路沒有辦理并L1鎖閉的條件下，信號才能開放，允許列車駛

入。

可見，為了保證行車安全，信號、道岔與進路之間必須保持一定的制約關系和操作順序,

常稱這種制約關系和操作順序為聯鎖。因此，又把車站信號系統稱為車站聯鎖控制系統。

1.2車站信號控制系統發展概述

1.2.1發展歷史

從1825年9月27日第一條鐵路在英國誕生以來，安全與效率就成為鐵路運輸所面臨的

主要問題。為了在保證運輸安全的前提下提高運輸效率，1830年出現了鐵路信號，并于1856

年第一套簡單的機械式車站聯鎖控制設備誕生。機械聯鎖是最古老的聯鎖方式，在機械聯鎖

中，信號機與道岔的控制桿相互鎖閉，聯鎖關系遵循因果關聯原則或者相關進路原則。隨著

鐵道運輸業的不斷發展以及技術的進步，車站聯鎖控制設備逐步發展成集中式機械聯鎖控制

系統，并在將近70年內一直占主導地位。

1927年基于布線邏輯的繼電聯鎖控制系統問世。與機械聯鎖不同的是，繼電聯鎖的聯鎖

邏輯由繼電電路實現，道岔和信號機不再由控制桿控制。操作員按壓進路的始端終端按鈕發

出選路命令后，繼電聯鎖控制系統將自動完成道岔和信號機安全控制。

繼電聯鎖控制系統由不對稱的重力式安全型繼電器構成，該系統很好地實現了安全聯鎖

功能，并且在故障狀態下能夠保證控制系統的安全性，同時提高了作業效率。經過不斷完善,

2

第1章綜述

繼電聯鎖控制系統得到了廣泛的應用，直到近80年后的今天，它在我國鐵路系統中仍占重要

地位。

隨著電子技術的飛速發展，20世紀60年代人們開始嘗試采用電子器件取代繼電器來構成

鐵路信號電子聯鎖控制系統。1978年，由瑞典研制的世界上第一套計算機聯鎖控制系統在瑞

典哥德堡站的成功應用，掀開了車站聯鎖控制系統研究與應用的新篇章，隨后，各國競相開

發研究計算機聯鎖控制系統，到了90年代不少國家已開始大面積推廣計算機聯鎖控制系統。

20世紀80年代鐵道科學研究院、鐵道部通信信號總公司研究設計院、北方交通大學等科

學研究機構相繼展開了計算機聯鎖控制系統的研制工作。1984年鐵道部通信信號總公司研究

設計院研制生產出了國內第一個車站計算機聯鎖控制系統，并成功地應用于地方鐵路，填補

了我國計算機聯鎖控制系統的空白。1989年鐵道科學研究院研制生產的計算機聯鎖控制系統

在鄭州北編組站開通使用，使計算機聯鎖控制系統首次應用于國有鐵路。1994年鐵道科學研

究院、鐵道部通信信號總公司研究設計院研制的計算機聯鎖控制系統分別在哈爾濱鐵路局平

房站和上海鐵路局交通站開通使用，這是我國鐵路首次將國產的計算機聯鎖設備用于鐵路客

貨列車通過的車站。

冶金等其他行業的一些科研單位也對計算機聯鎖控制系統進行了應用研究，并取得了一

定的成果。

1.2.2計算機聯鎖控制系統的特點

目前廣泛使用的聯鎖控制系統是電氣聯鎖控制系統，即繼電聯鎖控制系統。繼電聯鎖控

制系統的性能穩定、抗干擾性強、可靠性高，但是存在著功能不夠完善，功耗大，成本高，

占地面積大等缺點。下面就結合繼電聯鎖控制系統從性能、經濟等方面對計算機聯鎖控制系

統的特點進行描述。

1.優點：

（1）性能方面：

①與繼電聯鎖控制系統相比，計算機聯鎖控制系統的設計、施工工作量大大減小，并且

系統可以方便地增加新功能，使得系統功能進一步完善。

②計算機聯鎖控制系統提供現代化的聲、像、圖文顯示，人機交互的功能更加完善，內

容更豐富，信息量更大，工作效率更高。

③計算機聯鎖控制系統采取了必要的技術措施以后，系統的可靠性和安全性將更高；

⑵經濟方面：

①隨著電子與計算機技術的發展，計算機聯鎖的性能價格比更高，使得大站計算機聯鎖

控制系統的價格低于電氣集中聯鎖控制系統；

②采用分布式系統結構時，計算機聯鎖控制系統可以省去干線電纜，大幅降低工程造價;

3

第1章綜述

~③體積小、占地面積小，且隨車站規模增大，面積節省更為顯著;

④安裝費、運營費及維修費大幅度減少。

⑶維護方面：

①計算機聯鎖控制系統的維修工作量小，且具有自診斷、故障定位功能，降低了維護難

度并可通過遠距離聯網，實現遠程故障診斷。

②繼電部分結構簡單，便于維護，而且繼電器用量少，減少繼電器檢修工作量；

（4）其它方面：

①計算機聯鎖控制系統便于聯網，為鐵路信號系統向智能化和網絡化方向發展創造了條

件，通過與列車控制系統、運行圖管理系統聯網，可根據調度計劃實現進路程序控制，通過

與旅客向導服務系統、車次號跟蹤系統聯網，可構成全方位的計算機綜合控制、管理系統，

增強了運輸調度指揮自動化、智能化水平；

2.存在如下不足：

①計算機聯鎖控制系統應用大量的電子元件，需在抗電磁干擾及防止雷害等方面采取防

護措施。

②計算機聯鎖控制系統中實現聯鎖邏輯的聯鎖計算機?旦出現硬件故障影響面積會很

大，甚至使系統不能工作。因此計算機聯鎖控制系統需要采取必要的措施來提高可靠性和可

用性。

1.2.3現狀及前景

目前，計算機聯鎖控制系統己處于實用階段，隨著實踐經驗的積累，系統的性能也在不

斷提高。我國的計算機聯鎖控制系統主要采用由通用的工業控制計算機組成的雙機熱備系統,

少部分采用了由國外專用機組成的雙機及多機系統。目前，計算機聯鎖控制系統已裝備了國

鐵近千個車站。

國外的計算機聯鎖控制系統大多采用硬件冗余比較表決方式實現系統的故障安全，并采

用雙重或三重系統不停頓故障重組技術提高系統的可靠性和可用性，形成了系列化產品，具

代表性的有瑞典的EBILOCK系列、德國的SIMIS系列、英國的SSI系列、法國的SELMIS

系列、美國的VPI系列及日本的SMILE系列計算機聯鎖控制系統。

由于采用了先進的計算機技術和通信技術，計算機聯鎖控制系統將成為綜合行車指揮控

制系統的基礎設備和重要組成部分。系統通過各種制式的通信網絡可實現多層次控制，使控

制范圍擴大，即可由一個樞紐站控制周邊的若干站及區間的道岔控制點，既優化了控制，又

減少了投資和運營成本。計算機聯鎖控制系統通過與運行圖管理系統，旅客向導服務系統、

車次號跟蹤系統聯網，可構成全方位的計算機綜合控制、管理系統。

總之，鐵路信號計算機聯鎖控制系統將向低成本、高效率、高安全、高可靠及信息化、

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第1章綜述

智能化、網絡化和綜合自動化的方向發展。

5

第2章計算機聯鎖控制系統技術基礎

第2章計算機聯鎖控制系統技術基礎

計算機聯鎖控制系統技術是鐵路信號技術、電子及計算機測控技術、計算機通信技術以

及可靠性安全性技術有機結合的產物，因此，學習和研究計算機聯鎖控制系統必須對以下內

容有所了解：

（1）車站作業的技術規范，它是研究系統的基礎和根本：

（2）鐵路車站信號的聯鎖技術，它是車站作業的技術規范的具體體現，是動作道岔和信

號、建立進路必須遵循的條件和程序，是車站信號自動控制系統的主要內容。

（3）可靠性及安全性保障技術，可靠性是指系統應在規定的條件下，規定的時間內，完

成規定的功能。安全性則是指系統在運行過程中無論發生任何變故都不應產生危及行車安全

的因素。

（4）現場接口設備的控制及狀態檢測接口技術。

（5）電子技術、計算機技術、計算機控制與通信技術，它們是實現計算機聯鎖控制系統

必要的技術手段。

本章將就上述技術問題進行簡單的描述。

2.1車站運營及聯鎖技術基礎

車站是鐵路辦理客貨轉運作業的基地。它除了有與區間直接連通的正線外，還配有到發線、

調車線、牽出線、貨物線等線路。這些線路用道岔連接起來，使得列車或調車車列能夠從一

條線路轉到另一條線路。車站匕道岔匯聚的地方稱作車站的咽喉區。車站的技術作業可分為

列車作業和調車作業兩類。無論是列車作業還是調車作業，都是指車列由某一指定地點運行

到另一指定地點。

無論是列車進路還是調車進路，它們的控制過程基本上是?樣的。進路控制過程可分成

進路建立和進路解除兩個階段。進路建立階段是指從車站操作人員開始辦理進路，到該進路

建立，防護該進路的信號機開放：進路解除階段是指從列車或車列駛入進路，到出清進路中

全部道岔區段，為了提高車站作業效率，通常逐段解鎖進路中的軌道區段。

1.建立進路階段

建立進路階段又可以分解成若干小的階段。其中，操作階段是由人工辦理的；其它階段

由聯鎖控制系統自動完成。主要分為以下兒個階段：①人員操作階段，排列一條進路；②選

路階段，選出相應的進路；③道岔位置確認階段，確認與該進路有關的道岔位置符合進路要

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第2章計算機聯鎖控制系統技術基礎

求，否則轉到預期的位置；④進路鎖閉階段，在道岔位置符合要求、進路空閑、敵對進路未

建立的條件下，將道岔和敵對進路鎖閉，使道岔不能再轉換、敵對進路不能建立；⑤開放信

號階段，在進路鎖閉后開放信號機：⑥信號保持階段，在信號機開放期間還需不斷地檢查進

路空閑和道岔狀態，一旦聯鎖條件不能滿足，應使信號機立即關閉。

2.解除進路階段

解除進路就是解除已建立進路的鎖閉狀態，包括解除對道岔和敵對進路的鎖閉。在信號

開放后，當車列已接近進路，若此時進路錯誤地解鎖了，進路中的道岔就可以轉換，敵對進

路也可能建立，就有可能發生脫軌或沖撞事故。

根據解鎖的條件和時機，有5種進路解鎖方式，即取消進路、正常解鎖、故障解鎖、非常

解鎖以及中途返回解鎖。

2.2計算機控制技術基礎

典型的計算機控制系統組成如圖2.2」所示，下面分別對計算機控制中的關鍵技術進行簡

要地介紹。

圖2.2.1計算機過程控制系統的硬件組成框圖

2.2.1工業控制計算機

過程控制是計算機一個很重要的應用領域.下面就從硬件和軟件兩個方面對工業控制計

算機的結構作簡單介紹。

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第2章計算機聯鎖控制系統技術基礎

1.硬件系統

計算機控制系統的硬件主要是由主機、外部設備、過程輸入輸出設備和通信設備等組成。

（1）主機

中央處理器（CPU）和內存儲器（RAM,ROM）構成的主機是計算機系統的核心。主機

根據輸入設備送來的各種實時反映系統工作狀況的信息，以及預定的算法，自動地進行信息

處理和運算，并通過輸出設備發送控制命令等。

（2）內部總線和外部總線

內部總線是工業控制計算機內部各組成部分進行信息傳送的公共通道，外部總線是工業

控制計算機與其它計算機和智能設備進行信息傳送的公共通道。由于總線的內容非常豐富，

將在2.2.3節對內部總線和外部總線作更詳細地介紹。

（3）人一機接口

人一機接口是一種標準結構，即由標準的PC鍵盤、顯示器和打印機等組成。

（4）系統支持功能

工業控制計算機的系統支持功能主要包括如下部分；

①監控定時器：俗稱“看門狗”（Watchdog）。其主要作用是當系統因干擾或軟故障等原因

出現異常時，如“飛程序”或程序進入死循環，可以使系統自動恢復運行，從而提高系統的

可靠性。

②電源掉電檢測：工業控制計算機在工業現場運行過程中如出現電源掉電故障，應及時

發現并保護當時的重要數據和計算機各寄存器的狀態，一旦上電后，工業控制計算機能從斷

電處繼續運行。

③保護重要數據的后備存儲器：Watchdog和掉電檢測功能均要有能保存重要數據的后備

存儲器。后備存儲器通常容量不大，它能在系統掉電后保證所存數據不丟失，故通常采用后

備電池的存儲器。為了保護數據不丟失，在系統的存儲器工作期間，后備存儲器應處于上鎖

狀態。

④實時日歷時鐘；在實際控制中系統往往要有事件驅動和時間驅動的能力。一種情況是

在某時刻設置某些控制功能，屆忖工業控制計算機應自動執行；另種情況是工業控制計算

機應能自動記錄某個動作是在何時發生的。所有這些都要求必須配備實時時鐘，且能在掉電

后仍然正常工作。

（5）磁盤系統

磁盤系統可以用半導體虛擬磁盤，也可以配通用的軟盤、硬盤和光盤等。

（6）輸入輸出通道

輸入輸出通道是設置在工業控制機和生產過程之間的傳遞和變換信息的連接通道。它包

括模擬量輸入（AI）通道、模擬量輸出（A0）通道、數字量（或開關量）輸入（D1）通道、數字量（或開

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第2章計算機聯鎖控制系統技術基礎

關量）輸出（DO）通道，它有兩個作用，其一是將生產過程中的信息變換成主機能夠接受和識別

的代碼；其二是將主機輸出的控制命令和數據，經變換后作為執行機構或電氣開關的控制信

號。

2.軟件系統

計算機控制系統的硬件只能構成裸機，它只為計算機控制系統提供了物質基礎。裸機只

是系統的能干，既無思維，又無知識和智能，因此必須為裸機提供或研制軟件，才能把人的

思維和知識用于對生產過程的控制。軟件的優劣不僅關系到硬件功能的發揮，而且也關系到

計算機對生產的控制品質和管理水平。軟件內容豐富、種類繁多，通常根據軟件用途可將其

分為系統軟件、支持軟件和和應用軟件三個部分。

（1）系統軟件

系統軟件是管理、控制和維護計算機系統硬件資源與軟件資源的程序集合，包括實時多

任務操作系統、引導程序、調度執行程序，如美國Intel公司推出的iRMX86和美國WindRiver

公司推出的VxWorks等實時多任務操作系統，美國ReadySystem公司推出的嵌入式實時多任

務操作系統VRTX/OS。除了實時多任務操作系統以外，常常也可以使用MS-DOS和Windows

等系統軟件。

系統軟件是計算機正常運行不可缺少的，其中一些系統軟件程序在計算機出廠忖直接寫

入ROM芯片，例如，系統引導程序、基本輸入輸出系統（BIOS）、診斷程序等。有些則直接

安裝在計算機的硬盤中，如操作系統。

（2）支持軟件

支持軟件包括匯編語言、高級語言、編譯程序、編輯程序、調試程序、診斷程序等。

（3）應用軟件

應用軟件是系統設計人員針對某個生產過程而編制的控制和管理程序。它包括過程輸入

程序、過程控制程序、過程輸出程序、人一機接口程序、打印顯示程序和公共子程序等，如

聯鎖程序。

隨著硬件技術的高速發展，計算機控制系統對軟件也提出了更高的要求。只有軟件和硬

件相互配合，才能發揮計算機的優勢，研制出具有更高性能價格比的計算機控制系統。

2.2.2數據通信技術

數據通信是工業測控網絡和分散型測控系統的關鍵技術。不同系統或不同計算機之間的

通信主要采用并行通信或串行通信兩種方式。并行數據通信是指數據的各位同時傳送，可以

用字并行傳送，也可以用字節并行傳送，顯然，并行傳送的速度高，但傳送的距離很短，通

常小于10m；串行數據通信是數據一位一位順序傳送，因此不同系統或計算機之間只用很少

的幾條信號線即可完成數據交換，顯然，串行傳送的速度低，但傳送的距離很長，通?？蛇_

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第2章計算機聯鎖控制系統技術基礎

兒十至幾千米，甚至更遠。本節主要討論串行通信方式。

1.串行通信方式

串行通信方式主要有單工通信、半雙工通信和全雙工通信三種。

(1)單工通信

單工方式是通信線的一端接發送器，另一端連接收器，數據只能按照一個固定的方向傳

送，而不能進行相反方向的傳送。

(2)半雙工通信

半雙工方式是通信線的兩端各自接有發送器和接收器，數據可以雙向傳送，但在同一時

刻只限于向一個方向傳送。

(3)全雙工通信

如將數據傳送線改為兩根，每一根負責一個方向傳送數據，就可以在同一時刻既發送數

據，又接收數據，這相當于把兩個相反方向的單工通信方式組合在一起。

2.信號的傳輸方式

(1)基帶傳輸

基帶傳輸就是在數字通信的信道上直接傳輸數據的基帶信號，即按數據波的原樣進行傳

輸，不包含有任何調制，它是最基本的數據傳輸方式?；鶐ЬW的數據速率范圍為0~10Mbps,

線路工作方式只能為半雙工方式或單工方式。

(2)載波傳輸

載波傳輸是采用數字信號對投波進行調制后再實行傳輸。最基本的調制方式有幅度鍵控

(ASK)、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)三種。

(3)寬帶網

隨著多媒體技術的發展，計算機網絡傳輸數據、文字、語音、圖像等多種信號的任務愈

來愈重，于是，提出了寬帶網傳輸的要求。寬帶網可劃分為多條基帶信道，提供良好的通信

路徑，數據速率范圍為0~400Mbps。

(4)異步傳輸模式ATM(asynchronoustransfermode)

ATM是一種新的傳輸與交換數字信息技術，也是實現高速網絡的主要技術。它支持多媒

體信息，包括數據、語音和視頻信號，按需分配頻帶，具有低延遲特性，速率可達155Mbps

到2.4Gbps,也有25Mbps和50Mbps的ATM技術，可用于局域網和廣域網。

2.2.3總線接口技術

任何?個微處理器都要與一定數量的部件和外圍設備連接，但如果將各部件和每一種外

圍設備都分別用一組線路與CPU直接連接，那么連線將會錯綜復雜，甚至難以實現。為了簡

化硬件電路設計、筒化系統結構，常用一組線路，配置以適當的接口電路，與各部件和外圍

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第2章計算機聯鎖控制系統技術基礎

設備連接，這組共用的連接線路被稱為總線。采用總線結構便于部件和設備的擴充，尤其制

定了統一的總線標準則容易使不同設備間實現互連。

計算機總線的種類很多，并在不斷地發展和完善，下面僅對工業控制計算機中常用的內

部總線和外部總線加以介紹。

1.內部(系統)總線

內部總線(I-BUS)又稱“系統總線”或“板級總線”，是通用微型計算機和測控系統計

算機內部所特有的總線。計算機的內部總線一般都是并行總線，系統總線是各種模板進行信

息傳送的通路，把測控計算機系統的各種模板插件連接起來，就構成了完整的計算機測控系

統。常用的內部總線有STD總線、ISA總線、PCI總線、VME總線等。

(1)STD總線

STD總線是一個面向工業控制的微型計算機總線，它定義了8位微處理器總線標準，近

年來又定義了STD32總線標準。

(2)ISA總線

ISA(industrialstandardarchitecture)總線標準是IBM公司為推出PC/AT機而建立的系統

總線標準，所以也叫AT總線。它是對XT總線的擴展，以適應8/16位數據總線要求。它在

80286至80486時代應用非常廣泛，以至于現在的奔騰機中還保留有ISA總線插槽。

(3)VME總線

該總線結構是為其各種模塊之間的接口和充分發揮16/32位的微處理器MC68000的功能

而設計的。VME總線是一種性能極高的開放式總線。

(4)PCI總線

PCI(peripheralcomponentinterconnect)總線是當前最流行的總線之一，它是由Intel公司

推出的一種局部總線。它定義了32位數據總線，且可擴展為64位。與VESA、ISA總線相比，

PCI總線的功能有了極大的改善，它支持突發讀寫操作，最大傳輸速率可達132MB/S,并可同

時支持多組外圍設備。雖然PCI局部總線不能兼容現有的ISA、EISA、MCA(microchannel

architecture)總線，但它不受制于處理器，是基于奔騰等新一代微處理器而發展的總線。

(5)CompactPCI

CompactPCI的意思是“堅實的PCI”，是當今第個采用無源總線底板結構的PCI系統,

是PCI總線的電氣和軟件標準加歐式卡的工業組裝標準，是當今最新的一種工業計算機標準。

CompactPCI是在原來PCI總線基礎上改造而來，它利用PCI的優點，提供滿足工業環境應用

要求的高性能核心系統，同時還考慮充分利用傳統的總線產品，如ISA、STD,VME或PC/104

來擴充系統的I/O和其他功能。

除此之外，常用的內部總線還有EISA總線和VESA總線等，這里不再詳述。

2.外部總線

外部總線(E-BUS)又稱“通信總線”，它是微機系統之間或是微機系統與其它系統(儀

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第2章計算機聯鎖控制系統技術基礎

器、儀表、控制裝置)之間傳輸信息的通路，常借用其他領域己有的總線標準。計算機的外

部總線通常分為并行總線和串行總線兩種。

(1)RS-232-C總線

RS-232-C是美國電子工業協會EIA(ElectronicIndustryAssociation)制定的一種串行物理

接口標準。RS-232-C總線標準設有25條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道，在多數情

況下主要使用主通道，對于一?般的雙工通信，僅需幾條信號線就可實現，如?條發送線、一

條接收線及一條地線。RS-232-C標準規定，驅動器允許有2500pF的電容負載，通信距離將受

此電容限制，例如，采用150pF/m的通信電纜時，最大通信距離為15m；傳輸距離短的另一

原因是RS-232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題,因此搬用于20m

以內的通信。

(2)RS-485總線

在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用RS-485串行總線標準。RS-485采用平

衡發送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發器具有高靈敏度，能檢測

低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。RS-485采用半雙工工作方式，任

何時候只能有一點處于發送狀態，因此，發送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點

互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應用RS-485可以聯網構成分布式系統，最多允許并

聯32臺驅動器和32臺接收器。

(3)IEEE-488總線

上述兩種外部總線是串行總線，而IEEE-488總線是并行總線接口標準。IEEE-488總線

可用來連接系統如微計算機、數字電壓表、數碼顯示器等設備及其他儀器儀表均可用IEEE-488

總線裝配起來。它按照位并行、字節串行雙向異步方式傳輸信號，連接方式為總線方式，儀

器設備直接并聯于總線上而不需中介單元，但總線上最多可連接15臺設備。最大傳輸距離為

20米，信號傳輸速度一般為500KB/S,最大傳輸速度為IMB/s。

2.2.4工業網絡技術

計算機為用戶提供了分散而有效的數據處理與計算能力。但在實際應用中，計算機和以

計算機為基礎的智能設備除了處理本身'也務之外，往往還要求能與其它計算機溝通信息，共

享資源，協同工作，于是，出現了用通信線路將各計算機連接起來的計算機群，以實現資源

共享和作業分布處理，這就是計算機網絡。隨著以太網技術的成熟和普及，協議的標準化，

以太網技術進入了工業控制領域并迅速地發展了起來。

1.網絡的拓撲結構

網絡結構是指網絡中的各臺計算機、設備之間相互連接的方式。常用的網絡結構有以下

三種：星形、環形和總線形。

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第2章計算機聯鎖控制系統技術基礎

星形環形總線形

圖2.2.2常用的網絡結構

（1）星形結構

星形結構是將分布于各處的多個站連到處于中心位置的主結點匕任何兩個站之間的通

信都要通過主結點，主結點集中來自各分散站的信息，再把集中到主結點的信息轉發給相應

的站。星形結構屬于集中型網絡，易于將信息流匯集起來，從而提高了全網絡的信息處理效

率，適用于各站之間信息流量較大的場合，但是可靠性較低，如果主結點發生故障，將影響

全網絡的通信。

（2）環形結構

環形結構的每個站都是通過結點（或稱中繼器）連接到環形網上，通過逐個結點傳遞來

達到線路共用，網上信息單方向圍繞著線路進行循環（順時針或反時針）。環形拓撲屬于分散

型網絡，網上結點是相對簡單的信息接收和發送的中繼器。環形網的信號經每個結點整形、

放大后再傳送，不但傳送距離遠，而且能保證信號質量。但是因為它是共用通信線路，所以

不適用于信息流量大的場合。

（3）總線形結構

總線形結構采用了一條開環無源的電纜作為公共通信總線，所有的站都通過相應的硬件

接口直接掛在總線匕如圖2.2.2所示。任何一個站的信息采用廣播式沿總線傳輸，所有其它

站都能接收。總線形結構屬于分散型網絡，其結構靈活，易于擴展。由于采用無源傳輸總線,

一個站的故障不會影響其它站的工作，可靠性高。總線形結構的使用是最普遍的。

除了上述三種基本結構外，還有網形結構、樹形結構以及各種混合形結構。這些結構相

對比較復雜，信息的傳輸可能有多條路徑。

2.介質訪問控制技術

介質訪問控制方式有三種，載波監聽多路訪問/沖突監測（CSMA/CD）方式、令牌環（Token

Ring）方式、令牌總線（TokenBus）方式。

CSMA/CD方式采用隨機訪問技術的競爭型訪問方法。在輕負載下，網絡利用率高，但隨

著負載的增加，由于傳輸沖突的增加，網絡利用率會明顯下降。該方式適合于結構簡單、負

載輕、時實性低的網絡。

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第2章計算機聯鎖控制系統技術基礎

令牌環局域網內設置一個令牌在網內循環傳送，任何站點僅能在令牌通過該站時獲得令

牌，并將令牌從空標志改為滿標志，接著才能將信息發到環路上。令牌環方式當網絡輕負載

時效率較低，重負載時效率提高，該方式結構復雜、不易擴展。

令牌總線方式在物理總線上建立了一個邏輯環，物理上是總線網，邏輯上是環形網。和

令牌環一樣，在令牌總線中的站點只有獲得令牌才能發送信息，因而不會發生沖突。當網絡

重載時，采用令牌總線方式可大大提高網絡利用率，該方式適合于工業自動化系統。

2.2.5現場總線技術

現場總線是應用在生產現場，在微機化測量控制設備之間實現雙向串行多節點數字通信的

系統。目前較流行的現場總線主要有以下五種CAN、PROFIBUS、Lonworks、HART和FF。

1.控制器局部網（CAN）

CAN總線最早由德國Bosch公司推出，是用于汽車內部測量與執行部件之間的數據通信

協議。其總線規范已被ISO國際標準組織制定為國際標準，并且廣泛應用于離散控制領域。

它也是基于OSI模型，但進行了優化，采用了OSI模型的物理層、數據鏈路層和應用層，提

高了實時性。其節點設有優先級，支持點對點、一點對多點以及廣播模式通信。各節點可隨

時發送消息。傳輸介質為雙絞線，通信速率與總線長度有關。CAN總線采用短消息報文，每

一幀有效字節數為8個；當節點出錯時，可自動關閉，抗干擾能力強，可靠性高。

2.PROFIBUS總線

PROFIBUS是符合德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50179的現場總線，包括

PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三部分。它也只采用了OSI模型的物

理層、數據鏈路層以及應用層。PROFIBUS支持主從方式、純主方式、多主多從通信方式。

主站對總線具有控制權，主站間通過傳遞令牌來傳遞對■總線的控制權。取得控制權的主站，

可向從站發送、獲取信息。PROF1BUS-DP可用于分散外設間的高速數據傳輸，適合于加工

自動化領域。FMS型適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等。而PA型則可用

于過程自動化領域。

3.LonWorks

LonWorks是美國Echelon公司于1992年推出的局部操作網絡,最初主要用于樓宇自動化,

但很快發展到工業現場網，現有3000多家公司支持并開發基于這?技術的產品。它采用了OSI

參考模型全部的七層協議結構。LonWorks技術的核心是具備通信和控制功能的Neuron芯片。

Neuron芯片可實現完整的LonWorks的LonTalk通信協議。其上集成有三個8位CPU,一個

CPU完成OSI模型第一和第二層的功能，稱為介質訪問處理器：一個CPU是應用處理器，運

行操作系統與用戶代碼；還有一個CPU為網絡處理器，作為前兩者的中介，實現網絡變量尋

址、更新、路徑選擇、網絡通信管理等。由神經芯片構成的節點之間可以進行對等通信。

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第2章計算機聯鎖控制系統技術基礎

LonWorks支持多種物理介質并支持多種拓撲結構，組網方式靈活。LonWorks的應用范圍主要

包括樓宇自動化、工業控制等，在組建分布式監控網絡方面有較優越的性能。

4.HART

HART協議是由Rosemount公司于1986年提出的通信協議。它是用于現場智能儀表和控

制室設備間通信的一種協議。它包括ISO/OSI模型的物理層、數據鏈路層和應用層。HART通

信可以有點對點或多點連接模式。這種協議是可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協議，

其特點是在現有模擬信號傳輸線上實現數字信號通信，屬于模擬系統向數字系統轉變過程中

的過渡產品，因而在當前的過渡時期具有較強市場競爭力，在智能儀表市場上占有很大的份

額。

5.FF

基金會現場總線FF是在過程自動化領域得到廣泛支持并具有良好發展前景的一種技術。

其前身是以美國Fisher—Rosemount公司為首，聯合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80家公

司制定的ISP協議和以Honeywell公司為首,聯合歐洲等地150家公司制定的WorldFIP協議。

這兩大集團于1994年9月合并，成立了現場總線基金會，致力于國際上統一的現場總線協議

的開發。

基金會現場總線分為H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為31.25Kbps,通信距

離可達1.9km,可支持總線供電和本質安全防暴環境。H2的傳輸速率可為1Mbps和2.5Mbps

兩種，通信距離為750m和500m。物理傳輸介質可為雙絞線、光纜和無線，其傳輸信號采用

曼切斯特編碼?；饡F場總線以ISO/OSI開放系統互連模型為基礎，取其物理層、數據鏈

路層、應用層為FF通信模型的相應層次，并在應用層上增加了用戶層。用戶層主要針對自動

化測控應用的需要，定義了信息存取的統一規則，采用設備描述語言規定了通用的功能塊集。

FF總線包括FF通信協議、ISO模型中的2?7層通信協議的通棧、用于描述設備特性及操作

接口的DDL設備描述語言、設備描述字典，用于實現測量、控制、工程量轉換的應用功能塊,

實現系統組態管理功能的系統軟件技術以及構筑集成自動化系統、網絡系統的系統集成技術。

將現場總線與以太網結合，從而實現底層生產與上層管理的緊密集成，已成為一種趨勢。

2.2.6計算機控制系統的分類

1.集中式數字控制系統

集中式數字控制系統(DDC,DirectDigitalControl)在20世紀七八十年代占主導地位。它

采用單-片機、可編程邏輯控制器(PLC)、順序邏輯控制器(SLC,SequenceLogicalController)

或微機作為控制器。集中式數字控制系統的優點是易于根據全局情況進行控制計算和判斷，

在控制方式、控制時間的選擇上可以統一調度和安排。不足是對控制器本身要求很高，必須

具有足夠的處理能力和極高的可靠性，當系統任務增加時，控制器的效率和可靠性將急劇下

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第2章計算機聯鎖控制系統技術基礎

2.集散控制系統

集散控制系統(DCS,DistributedControlSystem)在20世紀八九十年代占主導地位。其核

心思想是集中管理、分散控制，即管理與控制相分離，上位機完成集中監視管理功能，若干

臺下位機分散到現場實現分布式控制，上下位機之間通過控制網絡互連以實現相互間的信息

傳遞。這種分布式控制系統結構有力地克服了集中式數字控制系統中對控制器處理能力和可

靠性要求高的缺陷。在集散控制系統中，分布式控制思想的實現正是得益于網絡技術的發展

和應用。

3.分級控制系統

現代微機、通信技術和CRT顯示技術的進展，使得微機控制系統不但具有控制功能，而

且還有生產管理和指揮調度功能。在如圖224所示的分級控制系統中，除了直接數字控制和

監督控制以外，還包含工廠級集中監督微機和企業級經營管理微機。在企業經營管理中，除

了管理生產過程的控制，還具有生產管理、收集經濟信息、計劃調度、產品訂貨和運輸等功

能。

分級控制系統是工程大系統，它要解決的不是局部最優化問題，而是一個工廠、一個公

司乃至個區域的總目標或總任務的最優化問題，即綜合自動化問題。最優化的目標函數包

括產量最高、質量最好、原料和能耗最小、成本最低、可靠性最高、環境污染最小等指標，

它反映了技術、經濟、環境等多方面的綜合性要求。

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第2章計算機聯鎖控制系統技術基礎

圖2.2.4分級控制系統

2.3現場設備及其繼電接口電路

為了實現車站技術作業，計算機聯鎖控制系統還應包括指揮列車運行的信號機，轉換道

岔的電動轉轍機，監督軌道有無車占用的軌道電路等現場設備及其繼電接口電路。

2.3.1道岔

在車站聯鎖區內的每組道岔處，都要設置臺用來轉換道岔、鎖閉道岔和反映道岔狀態

的電動轉轍機。

1.電動轉轍機

目前，我國普遍采用ZD6型電動轉轍機。它采用集中供電，由室內電源屏供出直流220V

道岔動作電源和交流220V道岔表示電源。

運營對電動轉轍機的基本要求是：

①作為轉換器，應具有足夠大的拉力，帶動尖軌作直線往復運動；當尖軌被阻不能繼續

移動時，應隨時通過操縱使尖軌向回移動恢復原位。

②作為鎖閉器，當尖軌與基本軌不密貼時，不應對尖軌進行鎖閉，沒鎖閉則不應使轉換

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第2章計算機聯鎖控制系統技術基礎

過程結束；一旦鎖閉，應保證不致因列車通過道岔時的振動，而使尖軌解鎖。

③作為表示器，應能反映出道岔的三種狀態：道岔在定位；道岔在反位；道岔不密貼或

被擠已處于四開狀態。

④道岔被擠后，在未修復前，不應再使道岔轉換。

為了完成上述要求，電動轉轍機應具備下列器件：

⑤電動機。我國鐵路選用的是直流串激可逆電動機。

⑥尖軌鎖閉器。尖軌鎖閉器是當道岔轉換完了后，將尖軌鎖在密貼的位置匕以防止列

車通過道岔時，將尖軌震開縫隙。

⑦自動開閉器。隨著尖軌的解鎖、轉換和鎖閉過程，在轉轍機內部應有個自動開閉電

機電路和自動開閉道岔表示電路的接點系統，這個接點系統就叫做自動開閉器。把自動開閉

電機電路的接點叫做定位動作接點（DD）和反位動作接點（FD）。FD用來開閉道岔向反位轉

的電路。把開閉道岔表示電路的接點叫做定位表示接點（DB）和反位表示接點（FB）o

此外，電動轉轍機應具有擠岔裝置等器件。其中，擠岔裝置是在擠岔時，保護轉轍機的

主要部件不受損壞。

2.道岔繼電接口電路

目前道岔繼電接口電路廣泛采用四線制道岔控制電路，它可分為道岔啟動電路和表示電路

兩部分。啟動電路使電動轉轍機動作來轉換道岔，表示電路則把轉換后的道岔位置反映到信

號樓內來。以下分別對這兩部分電路的構成原理作以說明。

（1）道岔啟動電路的構成原理

為保證列車運行安全，道岔啟動電路應保證實現以下技術條件：

①道岔區段有車時，道岔不應轉換，此種鎖閉叫做區段鎖閉。

②進路在鎖閉狀態時，進路上的道岔都不應再轉換。此種鎖閉叫進路鎖閉。

③維修道岔或值班人員因某種原因人為地把道岔鎖在一?定位置時，該道岔不應再轉換。

此種鎖閉叫道岔單獨鎖閉。

④當道岔啟動電路已經開始動作后，如果車隨即駛入道岔區段，則應保證轉轍機能繼續

轉換到底，不受上述區段鎖閉的限制而使道岔停止轉換。

⑤道岔啟動電路動作后，如果因轉轍機的自動開閉器接點接觸不良或電動機的整流子與

炭刷間接觸不良，以致電動機電路不通時，應自動切斷啟動電路的電源，保證道岔不會再轉

換。

⑥為了便于維修和實驗，以及在尖軌和基本軌間夾有障礙物（如道渣等）而使道岔不能

轉換到底時，能使道岔轉回原位，必須保證無論道岔轉換到什么位置都可通過手動操縱隨時

使它向反方向轉換。

⑦道岔轉換完畢，應自動切斷電動機電路。

道岔啟動電路對每組單動道岔或每組雙動道岔的電路結構基本相同。下面就以單動道岔

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第2章計算機聯鎖控制系統技術基礎

啟動電路為例來分析啟動電路工作原理。電路如圖231所示。

圖2.3.1四線制道岔啟動電路

道岔啟動電路采用分級控制方式控制道岔轉換，由第道岔啟動繼電器1DQJ檢查聯鎖條

件，符合要求才能啟動勵磁；然后由第二道岔啟動電路繼電器2DQJ控制電機的轉動方向，決

定電機將道岔轉向定位還是反位；最后由直流電動機轉換道岔。

如圖231所示道岔在定位狀態，當將該道岔選至反位時FCJ吸起，在確認進路解鎖后，

由FCJ的第六組前接點將1DQJ的3-4線圈勵磁電路接通。

1DQJ勵磁后，用其前接點構成2DQJ的轉極電路，轉極后用2DQJ第四組接點切斷1DQJ

的勵磁電路。

由于1DQJ的吸起和2DQJ的轉極，接通1DQJ的1-2線圈自閉電路，也是室外電機的送

電電路，使電動轉轍機中直流電動機轉動，將道岔從定位轉換至反位。電機轉動過程中保持

1DQJ自閉吸起。電機供電電路為：

DZ220—RD3—1DQJL2—1DQJ|2-U—2DQJUT3一外線X2一自動開閉器接點11-12（FD）-

電動機定子線圈2-3—電動機轉子3-4—遮斷器05-06—外線X4-2DQJ⑵.⑵一RD2—

DF220

在電動轉轍機表示桿的作用下，道岔剛轉換時，自動開閉器第二組動接點將41-42（定位

動作）接點接通，準備電動機反轉回路；待道岔轉換至反位后，自動開閉器第一組動接點將

11-12（反位動作）接點斷開，使電機停止轉動。同時切斷1DQJ的1-2線圈電路，使1DQJ緩

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第2章計算機聯鎖控制系統技術基礎

放后落下，用其第一組后接點接通道岔表示電路。在道岔轉換過程中，2DQJ保持不動。

若要再將道岔轉回定位，只需選路時DCJ吸起，則1DQJ又勵磁，2DQJ的3-4線圈接通

又轉極，直流電動機定子1-3線圈通電將道岔轉至定位，自動開閉器41-42接點斷開，電機停轉,

1DQJ落下接通道岔定位表示電路。

(2)道岔表示電路的構成原理

道岔我示是重要的聯鎖信息，因此道岔表示電路必須滿足以下技術要求：

①為了實現斷線保護，只能用繼電器的吸起狀態與道岔工作狀態(危險側)相對應。繼

電器的失磁狀態與道岔的非工作狀態(安全側)相對應。因此對每一組單動或雙動道岔要設

兩個表示繼電器，即道岔定位表示繼電器DBJ和道岔反位表示繼電器FBJ.

②為了實施混線保護，當室外的聯系電纜芯線混線或混入了外部電源，必須使DBJ和FBJ

都處于失磁落下狀態。

③當道岔處于轉換和擠岔狀態時，應保證DBJ和FBJ失磁落下，使道岔處于無表示狀態。

實現卜一述技術條件，可設計出多種表示電路。圖2.3.2是四線制道岔控制電路的表示電路

原理圖。當道岔轉至規定的位置后，由電動轉轍機自動開閉器的定位表示接點或反位表示接

點接通道岔表示電路，將道岔位置反映到信號樓內，用自動開閉器的定位表示接點接通道岔

定位表示繼電器DBJ,用反位表示接點接通道岔反位表示繼電器FBJ.

圖232四線制道岔表示電路

道岔表示電路的DBJ和FBJ由兩個偏極繼電器組成，由道岔表示變壓器BB供電。道岔

在反位時，F